海洋井喷失控应急抢险技术

苗典远，霍宏博，罗黎敏，孟 瑄，林家昱，王 赞

1.中海油能源发展有限公司，天津300459

2.中海石油（中国） 有限公司天津分公司，天津300459

我国海洋油气资源丰富，且尚处于勘探开发早中期，是当前重要的油气勘探领域，也是未来油气勘探和增储上产的主要来源。但海洋油气勘探开发作业存在较高风险，一旦井喷失控将引起灾难性事故，且失控后处理存在诸多难点[1-8]，其处理措施主要有：其一，井喷着火井口的割断、拆除；其二，割断井口的安装重建；其三，海洋井喷的控制、处理；其四，海洋井控应急设备还需满足海洋钻井平台、拖轮或者生产平台的安装需求[9-10]。

为了预防海洋井喷失控造成的严重后果，研发了液氮暂时冷冻技术、失控井口割断装备和破断井口防冲蚀带压快速抢装装备，用于解决海洋井喷失控的治理；另外研制了钻井井喷大型模拟装置，以检验设备能力和提高队伍作业水平。

1 流动通道液氮冷冻暂堵技术

低温氮气冷冻暂堵设备是用于油气井修井抢险中的特殊工具[9]，其包括：带压钻孔暂堵剂挤注系统、液氮存储系统、冷冻剂温度控制系统、冷冻剂泵入系统等。其原理是由高压注入系统将暂堵剂逐层注入套管环空和油气管内部，再利用液氮对暂堵剂进行冷却。当暂堵剂被冷却后，暂堵剂将形成桥塞密封套管环空和油管流动通道，实现井内压力隔离。封闭点以上可实现压力屏障，为更换采油气井口或部分闸阀作业隔离井内高压。该技术的核心在于低温恒温连续流，保证对冷却套管的均匀、安全、平稳的降温，保证封堵效果，液氮冷冻暂堵设备见图1。

图1 液氮冷冻暂堵系统

该装备体系还可推广应用到老井井口带压维修等井口隐患治理领域，可改变传统的停产压井维修方式，可提高安全性和作业效率。液氮冷冻暂堵设备相比传统的“干冰配合甲醇”方式，具有冷冻时间短、智能加注、温度可控、高强度封堵、无毒无害、不可燃、更加安全和环保等优点。

用冷冻暂堵设备分别对直径3.5、4、5、5.5in（1in=25.4 mm） 钻杆进行了功能测试，现场试验见图2。在系统额定工作压力50 MPa、桥塞承压能力52 MPa、冷却温度零下80 ℃时，4 种钻杆的冷却时间分别为1.75、2、2.5、3 h，试验结果良好。

图2 冷冻暂堵现场试验

2 海洋失控井口远程割断装备

海洋失控井口割断装备包括多功能抢险机械臂和井口切割组块，其中功能抢险机械臂为国内首创的三次折叠+六节伸缩+伸缩结构，该结构巧妙运用四连杆增大旋转角度，底盘设计为伸缩式支腿。在折叠状态，机械臂尺寸仅为2.5 m，而其伸展长度可达到21 m，设备全貌见图3。

图3 失控井口远程割断装备全貌

海洋失控井口远程割断装备为我国自主研发，是全世界唯一适用于海洋环境的远距离多功能移动清障设备，可实现模块化移运与快速动员。该设备独立的底盘结构和紧凑型外形尺寸使该设备达到公路运输标准，各结构强度的精确受力分析计算保证了自展式支腿结构的稳定性，对多节油缸内部管路的设计、优化及布管也为井喷应急治理提供了技术保障。

井口切割组块可依托超高压磨料射流切割，实现远距离遥控操作，最大限度确保了人员和设备的安全，切割效率高，为海上井喷井口的远距离清障切割提供了有效作业手段，为后续装备升级和深入研究提供了可靠参考，通过搭载多功能配件，能够起到切割井喷失控井口、清除井口障碍、辅助井口恢复的作用，整体设备示意见图4。

图4 磨料射流远程割断系统

现有的磨料射流切割喷嘴持续时间短，无法持续到失控井口切割结束，而更换喷嘴将导致重复切割，海上井喷治理时间窗口极窄，机会转瞬即逝。通过自主研制高压磨料射流切割喷嘴，重点解决喷嘴内部磨料加速受力研究、喷嘴结构形式优选及内部流道设计、喷嘴选材及烧结工艺优选等关键技术，研发出高性能纳米级耐磨喷嘴，并成功完成了现场切割应用。设备与国内外同类产品对比见表1。经现场试验测试，纳米级喷嘴在250 MPa 工作压力下，耐冲蚀寿命已超过6 h，可连续切割3 ～4口井，突破性地提高了现有切割设备作业能力，显著提高了海上井喷抢险作业效率[11]。

表1 高压射流耐磨喷嘴性能对比

3 海洋井口快速抢装装备

井口被割断后仅剩余套管，而防喷器与套管的连接需要可快速安装的套管头，快速抢装套管头示意见图5。该套管头采用分体式结构，分为上、下两部分，由锁紧装置连接。预先将快装抢险套管头上半部分与防喷器通过铰链连接，下半部分采用锥形分瓣式结构的套管卡瓦，可自动对光套管进行中心定位并在光套管上安装。井喷发生时通过翻转防喷器将其扣装到井口上，可快速准确完成抢装作业[12]。该装备还设计了带外檐法兰钢圈及防冲蚀的保护壳体，固定在防喷器底法兰上，可有效解决钢圈难以安装和冲蚀的问题[13]。

图5 快速抢装套管头

重建井口装备在实施关井或压井作业时耐压可达35 MPa，承受有效载荷1 500 kN，为光套管条件下的高压力油、气井实施压井抢险作业提供了有力的技术保障。同时，抢险作业人员可在井口下方完成抢险作业，为人员的生命安全提供了有效保护。

4 仿真井喷实验模拟设备

发生井喷失控后，井控抢险设备固然重要，熟练的操作队伍也是应急抢险的关键。为检验设备可靠性，并提高抢险队伍操作能力，依托已有实验井场，研发了具备井喷应急抢险演练，特种抢险装备研发与实验、救援井模拟以及抢险人员训练的综合基地。依托井控应急救援实验平台，对重建井口装备展开研究、试验和反复演习，不但检验了设备的可靠性，也形成了具有核心竞争力的海洋抢险救援队伍。

为检验海洋失控井口割断装备和海洋破断井口防冲蚀带压快速抢装装备的效果，通过模拟井喷实验检验应急抢险工艺的实际操作能力[14-17]。而目前国内外模拟井大多只能起到观摩效果，存在井喷时间短、无法实现持续井喷、气体与钻井液混合不均匀、井喷效果不理想等问题，导致无法满足井喷仿真的要求。

仿真井喷实验模拟设备利用节流原理，通过双泥浆泵+空压机+出口节流，使得管体内腔形状发生改变，高压水和高压气体在气水混合腔室混合后，经环空节流腔室憋压，形成高速气水混合物喷出井口。

该设备无需做繁复的准备工作。在泥浆泵、空压机、循环水泵和储满水罐就位待机的情况下，只要按先后顺序启动空压机- 泥浆泵，往模拟井口装置中注气和注水，即可实现模拟井涌、井喷，通过调节注气和注水排量，在注气量20 m3/min 和注水量5 m3/min 以上时，水柱喷高可达45 m 以上，在视觉和听觉等方面，仿真效果极为明显，对锻炼应急队伍、检验海洋三级井控应急治理装备效果起到了很好的作用，也证明了海洋三级井控应急治理装备的能力。抢险设备应急演习见图6。

图6 抢险设备应急演习

5 结论与建议

海洋井喷应急抢险技术的研发可为未来中深层油气田安全高效勘探开发提供有力的技术保障，其应用除产生经济效益外还为海洋钻井井喷的治理提供了手段，避免了灾害事故的发生，具有广阔的应用前景。针对该技术的应用提出以下建议：第一，井控应急抢险技术是一级、二级井控技术的备用技术，海洋井控技术还应以一级、二级井控为主；第二，冷冻暂堵、井口切割、井口重建等技术既是互相衔接的技术体系，又可在特定应急时刻单独使用；第三，在应急演习中发现，井控应急队伍的建设和井控设备研发同样重要，需要在实战中锻炼抢险队伍；第四，海洋井喷应急抢险技术未来将向着无人化、智能化方向发展。